МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНОВ И АТОМОВ.

⇐ ПредыдущаяСтр 17 из 22Следующая ⇒

Атом состоит из ядра и движущихся вокруг ядра электронов. Для простоты предположим, что электрон в атоме движетсяпо круговой орбите. На рисунке стрелкой указаны направления движения электрона и направление тока. Электрон, движущийся вокруг ядра. характеризуется орбитальным магнитным моментом. Кроме орбитального магнитного момента P_m, вращающийся вокруг ядра электрон характеризуется моментом импульса L, равным

L=mvr. (15.1.)

Магнитные свойства атома связаны с движением электронов, и каждый электрон дает атому магнитный момент

p_m. = I.S = e.v.S. (15.2.)

Рис. 78. Магнитный момент электрона в атоме.

Общий магнитный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов всех электронов атома. Чтобы понять причины различия в свойствах вещества, обратимся к вопросу о его строении. Протоны и нейтроны, входящие в состав атомного ядра, а также электроны обладают собственным (спиновым) магнитным моментом p_ms. Кроме того, электроны, вращающиеся вокруг ядра, эквивалентны круговым токам, которым также можно сопоставить магнитный момент p_ml, называемый орбитальным. Следует учесть, что магнитные моменты элементарных частиц, направленные противоположно друг другу, компенсируются, поэтому атом в целом может в некоторых случаях и не обладать магнитным моментом. Такие вещества являются диамагнетиками. Вещество, состоящее из молекул, обладающих магнитным моментом, называются парамагнетиками. Кроме орбитальных моментов электрон обладает собственным механическим моментом импульса L _es, называемым спином. Считалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси, что привело к целому ряду противоречий. В настоящее время установлено, что спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Спину электрона L _es, соответствует собственный (сотовый) магнитный момент р _ms. В общем случае магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома, следовательно, складывается из магнитных моментов входящих в его состав электронов и магнитного момента ядра (обусловлен магнитными моментами входящих в ядро протонов и нейтронов). Однако магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому ими пренебрегают. Таким образом, общий магнитный момент атома (молекулы) p _a равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов: P = ∑ p_o + ∑ p_c.

Еще раз обратим внимание на то, что при рассмотрении магнитных моментов электронов и атомов мы пользовались классической теорией, не учитывая ограничений, накладываемых на движение электронов законами квантовой механики. Однако это не противоречит полученным результатам, так как для дальнейшего объяснения намагничивания веществ существенно лишь то, что атомы обладают магнитными моментами.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ.

ДИА- И ПАРА- МАГНЕТИКИ.

Всякое вещество является магнетиком, т. е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.

Ради простоты предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора В произвольным образом, составляя с ним угол a, , то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг В, при котором вектор магнитного момента р _m, сохраняя постоянным угол a, вращается вокруг вектора В с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения.

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома (он равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов) равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi, Ag, Au, Сu ), большинство органических соединений, смолы, углерод и т. д.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля да нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Pt, Аl и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

Из рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной (дипольной) поляризации диэлектриков с полярными молекулами, только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничения.

Индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция В магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции В₀ магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью: μ = В/В₀. (15.3.)

Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. Магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов. Внешнее магнитное поле изменяет характер движения электронов в атомах. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора магнитной индукции внешнего поля В под углом a, то она приходит (под действием силы Лоренца) в прецессионное движение.

Рис. 79. Движение электрона.

При этом вектор магнитного момента p_m., сохраняя постоянным угол a, вращается вокруг направления В с некоторой угловой скоростью. Прецессионное движение дает дополнительный круговой микро ток. По правилу Ленца у атома появляется наведенное магнитное поле. Наведенные поля отдельных атомов складываются и образуют суммарное наведенное магнитное поле вещества. Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него не только электрического, но и собственного магнитного поля. Собственное магнитное поле электрона называют спиновым (spin – вращение). Электрон создает магнитное поле также и за счет орбитального движения вокруг ядра, которое можно уподобить круговому микротоку. Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ. Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам.

Магнитное поле в веществе создается возбудителями двух видов: первичными (независимыми) источниками, которыми чаще всего являются токи (движущиеся заряды) и вторичными (зависимыми), обусловленными средой. По своим магнитным свойствам вещество делится на три основных типа: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

В диамагнетиках , то есть магнитное поле в веществе меньше магнитного поля в вакууме; в парамагнетиках , магнитное поле возрастает по сравнению с полем в вакууме; в ферромагнетиках , магнитное поле возрастает значительно, в сотни и более раз. Следует отметить, что у ферромагнитных материалов магнитная проницаемость не является постоянной величиной, а зависит от индукции внешнего магнитного поля. Слабо-магнитные вещества делятся на две большие группы – парамагнетики и диамагнетики. Они отличаются тем, что при внесении во внешнее магнитное поле парамагнитные образцы намагничиваются так, что их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю. Но из-за теплового движения атомов в парамагнетиках магнитные моменты ориентированы хаотично и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. Во внешнем магнитном поле магнитные моменты отдельных атомов ориентируются по полю и усиливают его. И вещества являются парамагнетиками (магнитная проницаемость > 1). А диамагнитные образцы намагничиваются против внешнего поля и поэтому у диамагнетиков μ < 1. Отличие μ от единицы у пара- и диамагнетиков чрезвычайно мало.

НАМАГНИЧЕННОСТЬ.

Рассматривая характеристики магнитного поля, мы вводили вектор магнитной индукции В, характеризующий результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, и вектор напряженности Н, характеризующий магнитное поле макротоков. Следовательно, магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля, создаваемого током, и поля, создаваемого намагниченным веществом. Тогда можем записать, что вектор магнитной индукции результирующего магнитного ноля в магнетике равен векторной сумме магнитных индукций внешнего поля В ₀ (поля, создаваемого намагничивающим током в вакууме) и поля микротоков В ' (поля, создаваемого молекулярными токами) где В ₀=m₀ Н.

Рис. 80.

Изменения в веществе в результате намагничивания описываются намагниченностью — векторной величиной, определяемой магнитным моментом единицы объема:

p = P_m./V = (Sp_m)/V, (15.4.)

где P_m. = (Sp_m) - магнитный момент всего магнетика. Рассмотрим вещество в виде кругового цилиндра сечением S и длиной l, внесенное во внешнее магнитное поле с индукцией В. Во внутренних участках сечения цилиндра электронные токи соседних атомов направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Не скомпенсированными останутся только электронные токи, выходящие на боковую поверхность цилиндра. Круговой ток, текущий по боковой поверхности цилиндра, подобен току в соленоиде и создает внутри него поле, с магнитной индукцией В как в соленоиде с одним витком:

B^/= m₀.I^//l, (15.5.)

где I^/ - суммарная сила электронного тока, l - длина цилиндра.

Но I^//l - линейная плотность тока, а магнитный момент

p_m = I^/.S = I^/.S.l/l = I^/.V/l. (15.6.)

отсюда

p_m./V = I^//l, и J = I^//l. И В^/ = m₀.J. (15.7.)

Суммарное поле в веществе будет равно:

В = В₀ + В^/ = m₀.H + m₀J = m₀(H + J). (15.8.)

В слабых полях J = c.H, где c - магнитная восприимчивость

В = m₀.(1 + c)Н. = m₀mН, (15.9.)

где

m = (1 + c) (15.10.)

- магнитная проницаемость вещества. Используя теорему о циркуляции вектора В в веществе, получим

ò В.dl = m₀.(I + I^/), (15.11.)

где I и I^/ -суммы токов проводимости и электронных токов, охватываемых замкнутым контуром.

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 161718 19 20 21 Следующая ⇒